Introduction
スピーチの生産は、聴覚と体性感覚情報の両方に依存しています。聴覚と体性感覚フィードバックは、幼児によって生成最古の発声からの組み合わせで発生し、両方のは、音声運動学習に関与しています。最近の結果は、体性感覚プロセスは知覚だけでなく、生産に寄与することを示唆しています。例えば、音声の識別は、参加者が聴覚刺激1に耳を傾けるように、ロボット装置は、顔の皮膚を伸ばしたときに変更されている鳴ります。聴覚音声刺激と一致頬に空気パフは、参加者の知覚判断を変える2。
これらの体性感覚の効果は、皮膚の変形に応じて皮膚の機械受容器の活性化を含みます。皮膚は、移動中に、様々な方法で変形され、そして皮膚の機械受容は力覚3,4に寄与することが知られています。皮膚の機械受容の運動感覚役割は悪魔であります運動に関連した皮膚の株が適切に皮膚ストレッチ6のパターンに応じて屈曲または延長の動きとして認識されている最近の知見5-7によりstrated。付随顔の皮膚の伸縮性のスピーチで、特定の発話の繰り返しである音声モーター訓練のコースで、調音パターンが適応的に変更する7。これらの研究は、動作中に、皮膚の伸張を調節する感覚系の運動感覚機能の皮膚求心性の寄与を評価するための方法を提供することを示しています。
口腔顔面皮膚の機械受容の運動感覚機能は、感覚神経9,10から再コーディング精神生理学的方法7,8および微小電極を用いて、主に研究されてきました。ここでは、現在のプロトコルは、顔の皮膚の変形や事象関連電位（ERP）記録に関連する口腔顔面体性感覚刺激の組み合わせに焦点を当てています。目ある手順では、コンピュータ制御のロボット装置を使用して、顔の皮膚の変形方向とタイミングを正確に実験的に制御することができます。これは、私たちは選択的かつ正確に音声運動学習と直接音声生成と知覚の両方の間の方向の広い範囲で顔の皮膚を変形させることにより音声生成と知覚の体性感覚の寄与についての特定の仮説をテストすることができます。 ERP記録を非侵襲的に口腔顔面行動上の体性感覚刺激の影響の時間的パターンおよびタイミングを評価するために使用されます。現在のプロトコルは、その後、運動感覚機能の神経相関を評価し、音声処理、音声生成と音声知覚の両方に体性感覚系の寄与を評価することができます。
ERP記録にスキンストレッチ刺激のアプリケーションの有用性を示すために、以下のプロトコルは、音声Pにおける体性感覚と聴覚入力の相互作用に焦点を当ててerception。結果は演説の中で体性感覚、聴覚の相互作用を評価するための潜在的な方法を強調表示します。
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Protocol
現在の実験プロトコルは、イェール大学人間調査委員会によると、倫理的な行動の指針に従っています。
1. Electroenchephalopgaphy（EEG）の準備
- 適切な脳波キャップを決定するために、ヘッドサイズを測定します。
- 測定テープでナジオンとイニオン間の中間点を見つけることによって、頂点の位置を特定します。
- Czにとして予め定められた頂点を使用して、頭の上に脳波キャップを配置します。 1.2で行われたように測定テープを使用してキャップを配置した後、再度のCzを調べます。脳波キャップが電極ホルダーが装備され、64の電極（または所有者）の配置はCzを11に基づいて、事前に指定された座標系に変更された10〜20システムに基づいていることに注意してください。
注：この代表的なアプリケーションは、頭皮分布の変化を評価するために64の電極構成を使用して、ソース分析のため。シンプルなアプリケーション（振幅と潜時の事象関連電位の変化）についてはUSIngの少ない電極が可能です。ここで使用されるEEGシステム内のグラウンド用の2つの追加の電極があります。これらの電極ホルダーもキャップ内に含まれています。 - 使い捨て注射器を使用して、電極ホルダーに電極ゲルを適用します。
- 電極のラベルと一致する電極ホルダーに及び電極キャップの電極ホルダーに（接地電極を含む）EEG電極を取り付けます。
- アルコールパッドで皮膚表面を清掃してください。
注意：両眼の外眼角（水平眼球運動）に目の動き（電気眼球運動記録法）、皮膚の場所は、上記の右眼（縦目の動き）を下回っていると、横方向を検出するための電極については、体性感覚刺激のために経口角度に対する皮膚側方が洗浄されます。 - 電極ゲルで4電気眼球運動記録法の電極を記入し、1.6で述べたサイトに両面テープで電極を固定します。
- ベルクロストラップを使用して、すべての電極ケーブルを固定します。 Rの場合equired、参加者の身体へのケーブルまたは追加の電気的または機械的なノイズを導入していない他の場所をテープで固定します。
- モニターの前で参加者と体性感覚刺激のためのロボットを配置します。 1.8のように、再び全ての電極ケーブルを固定します。
- EEGシステムのアンプボックスで、適切なコネクター（一致するラベルとコネクタの形状）に（接地電極を含む）EEGおよび電気眼球運動記録法の電極を接続します。
- EEG信号は、無料アーティファクトとオフセット値が許容範囲（<50μV以下）であることをしていることを確認してください。ノイズの多い信号または通常、高インピーダンスの指標となる大規模なオフセットが発見された場合、追加のEEGゲルを加えること、および/または直接電極の下にある髪を再配置することによって、これらの電極信号を補正します。
- 脳波互換イヤホンを挿入し、音圧レベルは、対象のレポートに基づいて、快適な範囲内にあることを確認します。
注：現在のプロトコルは、体性感覚刺激のために顔の皮膚のストレッチを適用します。 EEGシステムとの実験は 、図1に示されている。体性感覚刺激装置の詳細は、以前の研究1,7,12-14に記載されています。簡単に言えば、二つの小さなプラスチック製のタブ（2センチ幅3センチの高さ）は、顔の皮膚に両面テープで取り付けられています。タブは、文字列を使用してロボット装置に接続されています。ロボットは実験デザインに応じて体系的な皮膚のストレッチ負荷を生成します。次のようにERPの記録のためのセットアップ手順は次のとおりです。
- 刺激中に頭部の動きを最小限に抑えるために、ヘッドレストに参加者の頭部を置きます。慎重に参加者の頭部とヘッドレスト間の電極ケーブルを取り外します。
- ロボットの安全スイッチを保持するために参加して下さい。
- へのプラスチックタブを取り付け体性感覚刺激のために両面テープを使用して、ターゲット・スキンの場所。ターゲットは、経口角度に横皮膚である代表的な結果12,13、蝸牛軸のタブの中心を配置するために、数mmは、ほぼ同じ高さにあるタブの中心と経口角度に横経口角度の。
- EEG電極とケーブルを避けるために、文字列、文字列のサポートとロボットの構成を調整します。
- 刺激（通常は電気生理学的反応と比較して比較的大きな振幅と低い周波数として観察）への成果物をチェックするために、いくつかの顔の皮膚のストレッチ（4 Nの最大の力で3 Hzで1サイクルの正弦波）を適用します。アーティファクトはEEG信号で観察されている場合は、2.4に戻ります。
3. ERPの録音
- アンクル対象かどうかを確認するために対象に実験的なタスクを説明し、練習試行（1ブロック= 10試行以下）を提供明らかにタスクをrstands。
注：ERPの記録のための実験的なタスクと刺激提示刺激提示のためのソフトウェアでpreprogramedあります。- 複合体性感覚と聴覚刺激12で代表的な試験では、経口角に対する横の皮膚への皮膚変形に関連した体性感覚刺激を与えます。ストレッチのパターンは4 N.聴覚刺激のために使用されていた」「「ヘッド」との間で10段階の音の連続の途中にある単一の合成音声の発声の最大の力で一周期の正弦波（3 Hz）です。
- 別々に、または組み合わせて、両方の刺激を提示。複合刺激では、テスト3発症のタイミング（90ミリ秒のリードとラグ、体性感覚と聴覚発症における同時： 図3Aを参照）。
- 。リード、simultとl：聴覚単独および3を組み合わせ、一人で5刺激のプレゼンテーション（体性感覚をランダムAG）。期待と慣れを回避するために、1,000〜2,000ミリ秒の間に試行間間隔を変更します。実験タスクは、キーボードのキーを押して「ヘッド」との間に音響的に中間にあると音で提示音声、「ヘッド」「 持っていたが 、だった」かどうかを識別することです。体性感覚だけで状態で、そこにいるで何の聴覚刺激がなく、参加者がいない「ヘッド」を答えるように指示されています。
- 録音参加者の判断や刺激提示のためのソフトウェアを使用してキーを押しに刺激開始からの反応時間。眼球運動に起因するアーチファクトを低減するために、表示画面上の固定点を注視する参加者を確認して下さい。
- 短い休憩のための固定点ごとに10の刺激を削除します。 （また、タスクと刺激プレゼンテーション12,13の他の例を参照してください）
- 512 HzでのERP記録用ソフトウェアを起動しますまた、ERPデータのタイムラインに刺激の開始時間を記録し、サンプリング、。また、刺激のタイプに関する情報が含まれて刺激のタイムスタンプは、刺激提示のためのソフトウェアからのすべての刺激のために送られることに注意してください。 （ERP記録用と刺激提示のための）2つのプログラムがパラレルポートを介して接続された2つの別々のPC上で実行されています。
- トリガ待ちモードに体性感覚刺激のためにソフトウェアを設定し、刺激提示のためのソフトウェアを活性化することにより、刺激提示を開始します。体性感覚刺激のためのソフトウェアは、他の2のPCとは別のPC上で実行されていることに注意してください。録音状態あたり100のERP。
注：体性感覚刺激のためのトリガ信号は、感覚刺激のためにPCにデジタル出力デバイスに接続されたアナログ入力装置を介して受信されます。シングル体性感覚刺激は、1トリガ当たりに生成されます。</ LI>
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Representative Results
このセクションでは、顔の皮膚の変形による体性感覚刺激に応答した代表的な事象関連電位を示しています。実験は、図1に示されている。正弦波刺激が（参考として、 図3Aを参照）経口角度に顔の皮膚の横に適用しました。百ストレッチ試験は合計でテスト12の参加者と参加者ごとに記録しました。水平方向および垂直方向の電気眼球運動記録法信号（150±以上μV）に基づいてオフラインで点滅し、眼球運動アーチファクトと試行を除去した後、試験の85％以上を平均しました。 EEG信号は0.5〜Hzのバンドパスフィルターで濾過し、すべての電極間の平均に再基準とした。 図2は、選択された代表電極から平均感覚のERPを示します。正面の地域では、ピーク負の電位が100〜200ミリ秒経口で誘導しました目の刺激開始は、200〜300ミリ秒で、正の電位が続きます。最大応答は、正中線電極で観察されました。体性感覚のERP 15-18の以前の研究とは異なり、何も以前の待ち時間（<100ミリ秒）電位はありません。この時間的パターンは、聴覚刺激19以下の典型的なN1-P2配列とかなり似ています。左と右半球における電極の対応する対の間の比較では、時間的なパターンは、おそらく二国間の刺激に非常によく似ています。
図1。実験のセットアップ 。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2.イベント関連電位顔の皮膚の伸縮によって生成体性感覚刺激に応答。ERPの代表電極から入手した。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
最初の結果は、刺激のタイミングは、音声処理12の間、多感覚インタラクションにどのように影響するかを示しています。本研究では、神経応答の相互作用は、個別に表示unisensory刺激に対するERPの代数和と体性感覚、聴覚刺激対を使用して得られた事象関連電位を比較することによって発見されました。聴覚体性感覚刺激のパターンは 、図3Aに示されている。 図3Bは、体性感覚、聴覚刺激対（レッドライン）に応じて、事象関連電位のパターンを示しています。黒のラインrepresen個々unisensory聴覚と体性感覚ERPの合計TS。 3つのパネルは、二つの刺激オンセットの時間差に対応しています。体性感覚の発症（左）、同時（センター）と90ミリ秒遅れ（右）の90ミリ秒となりました。体性感覚刺激が90ミリ秒聴覚発症前に提示された場合には、対となって加算された応答（ 図3Bの左パネル）との間に差があります。この相互作用の効果は徐々に体性感覚と聴覚入力の時間差の関数として減少する（ 図3（b）の 2本の点線間の変化を参照してください）。結果は、体性感覚、聴覚の相互作用は動的刺激のタイミングで変更されることを示しています。
図3.事象関連電位は、体性感覚、聴覚interaを反映音声知覚のコンテキストでction。この図は、体性感覚と聴覚刺激の12（A）時間的パターンら 、伊藤から変更されています。電極のPzで（B）は、3つのタイミング条件（鉛、同時、およびラグ）で組み合わせた体性感覚と聴覚刺激のための事象関連電位。赤い線は、対になったERPに記録応答を表します。破線は体性感覚と聴覚ERPの合計を表します。縦の点線は、「ペア」と「和」の応答の違いは評価が行われている体性感覚の発症後の間隔160〜220ミリ秒を定義します。矢印は聴覚発症を表す。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
次の結果は、体性感覚のERP increaの振幅ことを示していますスピーチ13に耳を傾けに応じてSES。上記のように体性感覚刺激のパターンは同じである。 図4は、左の感覚領域の上電極（FC3、FC5、C3）で、オフライン分析で頭皮電流密度20に変換され、体性感覚のERPを、示しています。参加者は、背景の音連続の存在下でのスピーチに耳を傾けながら、体性感覚事象関連電位を記録しました。スピーチ、非音声音、ピンクノイズとサイレント13：研究は、4つの背景条件をテストしました。結果は、他の三つの条件よりも有意に大きかったスピーチ音を聞い中に体性感覚事象関連電位の振幅を示しました。他の三つの条件のための振幅に有意差は認められなかった。 図4Bは、異なる条件で正規化されたピーク振幅を示しています。結果は、音声の音を聞いては体性感覚処理associを変化させることを示しています顔の皮膚の変形にated。
スピーチへの体性感覚の事象関連電位の図4.強化が鳴ります。ERPのは、4つの背景音条件（サイレント、ピンクノイズ、音声および非音声）で記録しました。この図は、伊藤らから変更されている。13 （A）左モータと運動前野上の領域における体性感覚事象関連電位の時間的パターン。各色は、異なる背景音の状態に相当します。事象関連電位、電流密度20を頭皮に変換しました。体性感覚ERPの最初のピークに関連したZスコアの大きさで（B）の違い。エラーバーは、参加者全体の標準誤差です。各色は、パネルAのように、異なる背景音の条件に対応COM /ファイル/ ftp_upload / 53621 / 53621fig4large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
ここで報告された研究では、顔の皮膚の変形によって生成され、正確に制御体性感覚刺激は、皮質のERPを誘発する証拠を提供します。皮膚求心性神経は、人間の四肢運動5,6と音声動き7,8,21における運動感覚情報3,4の豊富な供給源として知られています。話す時の実際の移動方向を反映した方法で、顔の皮膚をストレッチすると、対応する動きに似た運動感覚を誘発します。正確に制御された皮膚のストレッチとERP記録を組み合わせる方法は、現在の発話行動の広い範囲内に口腔顔面機能の神経基盤を調査するために使用することができます。
機械的刺激と同時EEG記録を使用して、アーティファクトのために継続的な信号を監視することが重要です。皮膚を伸ばすために使用される文字列は、EEG電極とケーブルの近くに位置しているので、特に、電気の可能性がありますアルとモーションアーチファクトはEEG信号内に誘導されています。このアーティファクトは、電気生理学的反応と比較しているため、比較的大きな振幅と周波数の低い識別可能です。記録する前に、文字列の構成を含む刺激のセットアップは、刺激のために任意の機械的な成果物を特定し、排除するために、慎重にチェックする必要があります。アーティファクトは眼球運動に似て点滅、フィルタリングや独立成分分析22と後信号処理によって除去することができるが、クリーンな信号は、常に、より望ましいです。
体性感覚事象関連電位の以前の研究は、主に機械的な23、電気18またはレーザー侵害受容刺激15を用いて製造した簡単な体性感覚刺激を使用しています。刺激のこれらの種類に起因する体性感覚入力は演説の中で、任意の特定の調音運動に関連付けられていない、したがって、彼らはないかもしれません音声関連の皮質処理を調査するために適しました。 ら Möttönen、17は、音声の音に耳を傾け中にタップする簡単なリップを使用してmagnetoenchalographic体性感覚電位の変化を示すために失敗していました。対照的に、顔の皮膚の変形は、音声調音運動21と感覚適応7に関連して発生したものと同様の運動感覚入力を提供します。これらの刺激はまた、スピーチの知覚処理1,14と対話します。現在のスキンストレッチ摂動からの体性感覚のERPは、体性感覚刺激のための現在利用可能な他の方法より、音声関連の皮質処理の研究に適しています。いくつかの異なる特性は、現在のスキンストレッチ刺激と、従来の方法との間で発見されました。ソースの場所など、さらなる調査が必要です。
顔の皮膚の変形が発生しているが、TO音声運動8中程度の変化、経口角度に対する皮膚の横には、密皮膚機械受容10,24と神経支配され、スピーチの間に皮膚の伸縮を検出するために主に責任があるかもしれません。口角の皮膚は、音声モータ制御と音声運動学習のために特に重要であり得ます。皮膚のストレッチは一方向にのみ及びEEGセッションごとに一箇所で行うことができるので、現在のアプローチは、いくらか制限されています。より複雑な皮膚の変形を使用し、1脳波のセッションで複数の方向および/または複数の場所を評価すると、音声処理におけるsomatosensationの特定の役割にさらなる洞察を提供します。
音声生成と知覚25-27における表現の性質や処理に関する音声コミュニケーション研究における長年の利益があります。ミラーニューロン28,29の発見は、そのアイデアを強化モータ楽しいですctionsは、音声認識に関与しています。モータシステム（またはモータと運動前野皮質）の関与も言語音の知覚に30-35を検討されています。それにもかかわらず、音声生成と知覚との間のリンクは、まだ十分に理解されていません。音声知覚の可能性感覚影響を探る私たちは音声知覚と生産の神経基盤を理解し、それらが重なったり、リンクするかどうかをすることができます。体性感覚機能を調節するための現在の技術では、お問い合わせのこの重要な分野を研究するための新しいツールを提供しています。現在の技術は、より一般的に体性感覚機能の研究に使用することができるという追加の利点を有し、それは、神経処理の他の感覚モダリティと対話する方法。
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Acknowledgments
この作品は、難聴やその他のコミュニケーション障害補助金R21DC013915とR01DC012502、自然科学とカナダの工学研究評議会及び欧州共同体のセブンス枠組み計画（FP7 / 2007から2013グラント契約がない下での欧州研究評議会の国立研究所によってサポートされていました。339152 ）。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| EEG recording system | Biosemi | ActiveTwo | |
| Robotic decice for skin stretch | Geomagic | Phantom Premium 1.0 | |
| EEG-compatible earphones | Etymotic research | ER3A | |
| Software for visual and auditory stimulation | Neurobehavioral Systems | Presentation | |
| Electrode gel | Parker Laboratories, INC | Signa gel | |
| Double sided tape | 3M | 1522 | |
| Disposable syringe | Monoject | 412 Curved Tip | |
| Analog input device | National Instuments | PCI-6036E | |
| Degital output device | Measurement computing | USB-1208FS |
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